La carga del núcleo y el sistema de periodos

Experientia docet Átomos Artículo 21 de 31

Foto: vubp / Pixabay

A pesar del éxito del modelo atómico de Rutherford a la hora de explicar los resultados de los experimentos de dispersión de partículas α, seguía habiendo un problema sin resolver. Todavía no había forma de medir la carga Q en el núcleo de forma independiente. Sin embargo, los experimentos de dispersión habían confirmado las predicciones de Rutherford sobre el efecto de la velocidad de la partícula y el grosor de la lámina sobre el ángulo de dispersión. Como sucede a menudo cuando se confirma parte de una hipótesis, es razonable proceder temporalmente como si toda la hipótesis estuviera justificada; es decir, hasta que no hubiese más resultados, se podría suponer que el valor de Q necesario para explicar los datos de dispersión observados fuese el valor correcto de Q para el núcleo real, determinado por la ley de Coulomb y el movimiento de las partículas α.

Sobre esta base, el laboratorio de Rutherford compiló datos de dispersión para varios elementos diferentes, entre ellos carbono, aluminio y oro. De estos experimetos resultaba que las siguientes cargas positivas para el núcleo eran las que cuadraban mejor: para el carbono, Q = 6e ; para el aluminio dos valores parecían funcionar, Q = 13e o 14e; y para el oro, Q = 78e o 79e [1]. Del mismo modo, se encontraron valores para el resto de elementos.

La magnitud de la carga positiva del núcleo fue un dato de trascendental importancia para entender cómo era un átomo. Como el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro, se sigue que, si el núcleo tiene una carga positiva de 6e, 13e, 14e, etc., el número de electrones cargados negativamente que rodean el núcleo debe ser 6 para el carbono, 13 o 14 para el aluminio, etc. Por lo tanto, por primera vez, la comunidad científica tenía idea de cuántos electrones puede tener un átomo.

Pero un hecho más importante si cabe resultó rápidamente evidente. Para cada elemento, el valor de la carga nuclear, en múltiplos de e, estaba cerca del número atómico Z, ¡el número de lugar de ese elemento en la tabla periódica! Los resultados de los experimentos de dispersión con partículas α aún no eran lo suficientemente precisos como para llegar afirmarlo con certeza, pero todo apuntaba a que cada núcleo tiene una carga positiva Q numéricamente igual a Ze.

Esta posibilidad hacía la imagen del átomo nuclear mucho más clara y simple. Sobre esta base, el átomo de hidrógeno (Z = 1) tiene un electrón en algún lugar que no es el núcleo. Un átomo de helio (Z = 2) tiene en su estado neutro dos electrones en algún lugar que no es el núcleo. Un átomo de uranio (Z = 92) tiene 92 electrones en algún lugar que no es el núcleo. Experimentos adicionales respaldaron aún más este sencillo esquema. Los experimentos demostraban que era posible producir átomos de hidrógeno ionizados con una carga, H+, y átomos de helio ionizados con dos cargas, He2+, pero no había forma de conseguir H2+ ni He3+. Evidentemente, un átomo de hidrógeno tiene solo un electrón que perder, y un átomo de helio solo dos. Inesperadamente, el concepto de átomo nuclear proporcionaba una nueva visión completamente nueva de la tabla periódica de los elementos. El átomo nuclear sugiere que la tabla periódica es realmente una lista de los elementos de acuerdo con el número de electrones alrededor del núcleo, o lo que es lo mismo, con el número de unidades de carga positiva en el núcleo.

Estos resultados aclaraban algunas de las problemas en el sistema de periodos de Mendeléyev. Por ejemplo, a los elementos teluro y yodo se les habían asignado las posiciones Z = 52 y Z = 53 en función de sus propiedades químicas. Este posicionamiento contradecía el orden de sus pesos atómicos. Pero ahora se veía que Z correspondía a un hecho fundamental sobre el núcleo. Por lo tanto, lo que se pensaba que era una carencia del sistema de Mendeléyev en realidad no lo era. [2]

Notas:

[1] Donde e es la magnitud de la carga de un electrón (e = −1,602·10−19 C ). Para una explicación de cómo se determina e véase La carga más pequeña.

[2] Esto es algo a lo que no se le da tanta importancia como a las predicciones de nuevos elementos que hizo Mendeléyev, pero es algo del mismo calibre. A toro pasado parece obvio, pero cuando Mendeléyev presenta el sistema de periodos es toda una expresión de rigor químico.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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